CN101771389A

CN101771389A - 预失真设备和预失真方法

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Publication number: CN101771389A
Application number: CN200910258829A
Authority: CN
Inventors: 滨田一; 石川广吉; 宇都宫裕一; 长谷和男; 札场伸和; 石川颂平
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: US20100164620A1; EP2202879B1; JP5071370B2; KR20100076890A; EP2202879A1; US7920644B2; KR101067099B1; JP2010157898A; CN101771389B

Abstract

本发明提供一种预失真设备和预失真方法。该预失真设备通过对分别限定了多个功率范围的预失真特征的多个幂级数的多个系数进行计算处理，来补偿由放大器的输入到输出特征中的非线性特性引起的失真，该预失真设备包括：系数更新单元，其用于根据所述放大器的输入和输出之间的比较对所述幂级数的系数进行设定和更新，以提供所述多个功率范围的预失真特征；和确定单元，其用于通过对限定所述多个功率范围的阈值进行偏移，并通过操作所述系数更新单元以更新与按照经过偏移的阈值而限定的各个功率范围相对应的各个幂级数的系数，来确定至少一个阈值。

Description

预失真设备和预失真方法

技术领域

本文所讨论的实施方式的特定方面涉及一种用于补偿由放大器从输入到输出特征中的非线性特性引起的失真的预失真系统的技术。

背景技术

通常，在诸如可移动主体基站等无线发送装置中使用的高效发送放大器具有很强的非线性特性。因此，当发送高速无线通信调制信号时，这种发送放大器中的非线性失真导致发送调制信号的带外辐射功率，并且相邻发送信道受到影响。

作为用于限制发送放大器所引起的带外辐射的系统，已知一种预失真系统，该系统通过将具有与发送放大器的非线性失真特性相反的特性的失真信号添加到输入信号中并且输入到发送放大器中来补偿发送放大器中的非线性失真。特别地，一种通过在输入端反馈发送放大器的输出而自适应地执行失真补偿的自适应预失真系统可以明显地抑制带外辐射。

图10是该预失真系统的原理图。通常，在发送放大器中，输出饱和，从而随着输入功率变得更大，不容易输出相对于输入信号的线性信号，(图10中的1001)。放大器的非线性特性导致了如下所述的不利影响。

图11是例示了由发送放大器的非线性特性导致的频谱特性劣化的示例图。

如图11所示，发送放大器的非线性特性针对放大器输入1101在信号频带1102的外部辐射不需要的频谱1103。带外辐射功率劣化了使用带外频率的另一个系统的特性。

此外，虽然被图11中的信号特性遮掩，但不需要的频谱还辐射到信号频带1102中。这导致了信号本身的特性的劣化。

此外，由于当前的许多数字调制系统需要线性放大器特性，因此当使用具有上述饱和特性的放大器时，不可避免地使用线性低输入功率部分。这导致了发送放大器功率效率的劣化。

因此，通过使用预失真技术，对发送放大器的输入信号应用了放大器特性的相反特性(图12中的1002)。通过向其添加非线性放大器特性，可以在发送放大器的输出端获得补偿后的线性特性作为结果，如图10的1003所示。

常规上提出了使用幂级数的预失真系统作为预失真的系统。如图12所示，在这种系统中，通过对输入信号x进行幂级数计算来在发送放大器的前置级处的预失真单元1201中执行补偿运算。

也就是说，在图12中，预失真单元1201通过对输入信号x执行幂级数计算来执行对发送放大器1205的失真补偿。

在D/A转换器1201中将预失真单元1201的输出转换为模拟信号，并且还在正交调制器1203中按照本机振荡器1204根据发送基站而发生的信号对该模拟信号进行正交调制。

在发送放大器1205中对调制后的发送模拟信号进行功率放大，并且通过耦合器1206将输出提供给发送天线1207，并且从该发送天线发送。此外，将发送放大器1205的输出经由耦合器1206反馈回输入端。

也就是说，按照本机振荡器1209根据发送基站而发生的信号对耦合器1206的输出进行下变频。此外，通过A/D转换器1210将该输出恢复为数字信号，之后通过解调器(未具体示出)将其恢复到基带。

关于作为结果而获得的反馈信号S_fb(n)，在减法器1211中计算该反馈信号S_fb(n)与经过延迟电路(未具体示出)延迟的发送信号S_ref(n)之间的误差信号e(n)。

然后，通过系数更新单元1212对提供给预失真单元1201的幂级数计算系数a、b、c、d等进行更新，使得基于最小均方误差(最小均方)的计算将误差信号e(n)减到最小。

通过这种方式，逐渐地将幂级数计算系数收敛到预定数值，并且通过使用收敛到预定数值的幂级数计算系数在预失真单元1201中对输入信号x进行幂级数计算。由此，在稳定状态中，高精度地抑制了模拟电路单元的非线性特性，同时保持了高功率效率。然后，即使在由于温度或频率的影响而导致非线性特性改变时，也可以通过反馈信号S_fb(n)检测到模拟增益变化。然后，在系数更新单元1212中，在该方向对幂级数计算系数的数值进行更新以补偿变化，从而特性的变化可以得到动态的补偿。

注意，上述结构实际上具有针对复数信号的结构。

例如，在上述的传统技术结构中，假设将频率相差2Δf的两个正弦波信号(两个单音信号)输入到按照幂级数而建模的放大器模型中。

cos2π(fc-Δf)t+cos2π(fc+Δf)t

然而，fc是载波频率。因此，在以幂级数表示的输出信号中，只有在频率上与载波频率fc大大地分离并且受到模拟单元的滤波器或发送放大器本身抑制的信号分量被包含在偶次幂项中。相反，在载波频率附近，产生了三次幂项中不需要的分量(fc±3Δf)和五次幂项中不需要的分量(fc±5Δf)。因此，可以通过仅由奇次幂项构成的幂级数来对发送放大器1205中的非线性失真建模。结果，如图12所示，通常由预失真单元1201计算出的幂级数仅由奇次幂项构成。

此后，为简明起见，作为幂级数公式，将会描述简单的幂级数公式ax+bx³+cx⁵+dx⁷。在实际的失真补偿中，通常使用其中考虑了Volterra幂和延迟分量的更加复杂类型的幂，以更加确定地对发送放大器1205的特性建模。将在下面的非专利文献1中对其细节进行描述。

[专利文献1]日本特开2001-268150

[专利文献1]日本特开2002-335129

[非专利文献1]V.J.Mathews and G.L.Sicuranza：″Polynomial SignalProcessing″，John Wiley & Sons，Inc.(2000)

[非专利文献2]S.Haykin：″Adaptive filter theory″，Kagaku GijutsuSyuppan(2001).(Hiroshi Suzuki等翻译)

[非专利文献3]V.Mathews：″Adaptive polynomial filters″，IEEESignal Processing Magazine，pp.10-26(1991)

发明内容

因此，实施方式的一个方面的目的是提供一种具有较高的失真抑制特性的幂级数类型的预失真设备。

根据实施方式的一个方面，提供了一种预失真设备，该预失真设备用于通过对分别限定了多个功率范围的预失真特征的多个幂级数的多个系数进行计算处理，以对放大器的输入应用与所述放大器的输入到输出特征中的非线性特性相对应的相反特性，来补偿由所述放大器中的所述非线性特性引起的失真，该预失真设备包括：系数更新单元，其用于根据所述放大器的输入和输出之间的比较对所述幂级数的系数进行设定和更新，以提供所述多个功率范围的预失真特征；和确定单元，其用于通过对限定所述多个功率范围的阈值进行偏移，并通过操作所述系数更新单元以更新与按照经过偏移的阈值而限定的各个功率范围相对应的各个幂级数的系数，以使各个功率范围的预失真特征最优，来确定至少一个阈值。

附图说明

图1是多个幂级数预失真系统失真补偿装置的结构图。

图2是例示了选择器对幂级数的选择操作的操作流程图。

图3是使用了多个幂级数的失真补偿的概念图(是例示了输入功率相对于放大器相反特性(增益特性)一个示例的图)。

图4是失真补偿装置一个实施方式的结构图。

图5是阈值确定算法的操作流程图。

图6是阈值增大算法的操作流程图。

图7是例示了用于检测功率阈值确定单元405的操作定时的结构示例的图。

图8是例示了用于检测功率阈值确定单元405的操作定时的另一个结构示例的图。

图9是例示了ACLR的图。

图10是预失真系统的原理图。

图11是由发送放大器的非线性特性引起的频谱特性劣化的图。

图12是传统失真补偿装置的结构图。

具体实施方式

此后将参考附图详细地描述将被公开的失真补偿装置的一个实施方式。注意，所公开的失真补偿装置的预失真单元等的功能通过安装DSP(数字信号处理器)而提供。

作为一种用于提高图12所示的传统幂级数类型的预失真系统的失真补偿能力的系统，提供了使用多个幂级数的预失真系统。

由于所公开的实施方式假设了使用多个幂级数的预失真系统，因此首先将描述基本结构。

图1为多个幂级数预失真系统失真补偿装置的结构图。

准备了由幂级数计算而构成的多个预失真单元(PD单元)101#1到101#N，并且每个PD单元都基于各自不同的幂级数计算组来执行不同的幂级数计算。

选择器102保持N-1个功率阈值，并且根据图2所示的操作流程图进行操作。选择器102执行下列针对最小阈值Th(1)的操作(步骤S201)、幂级数中的操作(步骤S203)、和最大阈值Th(N-1)的操作(步骤S204)。也就是说，选择器102比较通过在功率转换单元103中转换发送信号的功率而获得的功率信号值与阈值Th(i)(1≤i≤N-1)的大小(步骤S202)。然后，在判断出功率信号值小于阈值Th(i)时，选择器102选择PD单元101#i。注意，当选择器102判断功率信号值不小于阈值Th(N-1)时，选择器102选择PD单元101#N(步骤S204→步骤S206)。然后，选择器102在D/A转换器105中提供所选择的PD单元101的输出。

D/A转换器105将来自一个PD单元101的输出转换为模拟信号。

按照本机振荡器107根据发送基站而产生的振荡信号对转换结果进行正交调制。

在发送放大器108中对调制后的发送模拟信号进行了功率放大，并且经由耦合器109将输出提供给发送天线，并且从该发送天线发送。

此外，将发送放大器108的输出从耦合器109反馈到输入端。

也就是说，在下变频器111中，按照本机振荡器112根据发送基站而产生的振荡信号对耦合器109的输出进行下变频。通过A/D转换器113将结果获得的输出恢复成数字信号，之后由解调器(未具体示出)将其恢复到基带。

将如此获得的反馈信号S_fb(n)输入到系数更新块104。

在系数更新块104中，执行下面描述的操作，以适应性地将PD单元101#1到#N的各失真补偿特性与由于发送放大器108个体差异而造成的放大器特性差异、由使用年限变化、温度变化等造成的放大器特性变化关联起来。

首先，在减法器104-2#1到#N中，计算反馈信号S_fb(n)与通过由延迟电路(未具体示出)对选择器102的输出进行延迟而获得的发送信号S_ref(n)之间的每个误差信号e(n)。

然后，在系数更新单元104-1#1到#N中，对提供给PD单元101#1到#N的幂级数计算系数a_i、b_i、c_i、d_i等(1≤i≤N)进行更新，使得每个误差信号e(n)都满足预定条件，在该预定条件下，基于对最小均方误差(最小均方)的计算，使系数最优(在该实施方式中，使得每个误差信号e(n)减到最小)。

通过这种方式，PD单元101#1到#N的每一个中的各个幂级数计算系数组都逐渐地收敛为预定值，并且由各个PD单元101通过使用收敛为预定值的各个幂级数计算系数组对输入信号x执行幂级数计算。

通常使用自适应性算法，该算法所需要的计算量小，并且容易遵循各个幂级数计算系数组的更新的时间差异。由于在该实施方式中使用了多个幂级数计算系数组，因此能够有效并且针对各个组来适当地应用自适应算法以使系数组收敛。

除了上述LMS之外，幂级数计算系数组的自适应算法的算法通常还包括诸如RLS(参考上述非专利文献2)的算法。这样，在算法中，被称为收敛系数的常数非常重要，该收敛系数用于调整收敛种子并通过折衷关系调整收敛之后的稳定性。例如，在LMS算法的情况下，通过使用反馈信号S_fb(n)和误差信号e(n)(参考上述非专利文献3)由以下公式表示系数h(n)的更新公式，并且公式中的μ为收敛系数。

h(n+1)＝h(n)+μe(n)S_fb(n)

由于通过将μ与系数更新分量幅度(即e(n)S_fb(n))相乘然后马上与系数h(n)相加而计算下一个点的系数h(n+1)，因此μ越大，则收敛越早。另一方面，在收敛之后，无需大幅度改变h(n)，并且收敛之后的稳定性随着μ变小而增加。

如上所述，在稳定状态中，高精度地抑制了模拟电路单元的非线性失真特性，同时保持了较高的功率效率。然后，即使当温度或频率的影响改变了非线性失真特性时，也可以通过反馈信号S_fb(n)检测到模拟增益变化，并且在系数更新块104中在该方向中对每个幂级数计算系数组进行更新以补偿变化。结果，可以动态补偿特性变化。

图3是使用了多个幂级数的失真补偿的概念图，并且是例示了输入功率相对于放大器相反特性(增益特性)的一个示例的图。

使用幂级数模拟的放大器相反特性301在实际的发送放大器中具有复杂曲线，并且当使用一个幂级数对其进行表达时，误差增加。这里，在图1所示的失真补偿装置的结构中，在如图3所示的发送信号的(转换而来的)功率值中提供诸如阈值1、阈值2的阈值。然后，针对按照阈值所分开的各个输入功率间隔，按照诸如#1到#3的不同的幂级数组302来执行失真补偿计算。

因此，在失真补偿计算中，与使用单个幂级数的情况相比，可以对更接近于实际的放大器相反特性301的特性进行建模，并且可以改进失真补偿特性。

这里，用于选择由选择器102使用的多个幂级数的功率阈值对输出信号的质量具有很大影响。将在实施方式的以下描述中具体地公开功率阈值的确定方法。

在以下描述的实施方式中，由另一个系统来准备用于收敛幂级数系数的电路，该幂级数系数用于失真补偿，并且通过使用该另一个系统来确定多个幂级数的功率阈值。因此，也可以在不允许放大器输出特性劣化的操作过程中自由地设定最优的阈值，并且可以减少工厂内的调整动作，并且能够在运行环境中对阈值进行最优的设定。

图4是一个具有与图1所示相同的基本结构的失真补偿装置的实施方式的结构图。

在图4中，相同标号用于表示与图1中相同的结构部件。

在图4中，失真补偿单元401对应于图1中的PD单元101#1到#N、选择器102、和功率转换单元103。此外，减法器403对应于图1中的减法器104-2#1到#N，而系数更新失真补偿单元402和系数更新算法单元401对应于图1中的系数更新单元104-1#1到#N。系数更新失真补偿单元402的结构与失真补偿单元401的结构相同。

通过减法器403获得从失真补偿单元401输出的预失真信号与从发送放大器108经由耦合器109输出的将被反馈并通过系数更新失真补偿单元402的信号之间的误差信号。然后，系数更新算法单元404通过对误差信号执行诸如LMS、RLS等系数更新算法而获得了更新后的多个幂级数计算系数组。通过在失真补偿单元401和系数更新失真补偿单元402中对更新后的多个幂级数计算系数组进行设定而完成了系数的更新。

在该实施方式中，除了常规的系数更新块以外，还设置了功率阈值确定单元405。所述另一个系统的系数更新单元在基本操作上类似于常规系数更新单元。也就是说，功率阈值确定失真补偿单元405-1具有与失真补偿单元401相同的结构。然而，功率阈值确定单元405并没有对针对实际的发送信号执行预失真的失真补偿单元401和系数更新补偿失真单元402的幂级数计算系数组进行更新。相反，功率阈值确定单元405通过在功率阈值确定单元405-5中改变功率阈值的同时，观察减法器405-2经由误差信号平均单元405获得的误差信号，来确定最优功率阈值。由于没有对失真补偿单元401和系数更新失真补偿单元402的多个幂级数计算系数组进行更新，因此可以在不影响发送放大器108输出的情况下执行对功率阈值的确定操作。

图5为例示了功率阈值确定单元405中的功率阈值确定系数更新算法单元405-3、误差信号平均单元405-4、和功率阈值更新单元405-5的控制操作的操作流程图。

在开始的步骤中没有确定多个幂级数的功率阈值。因此，首先在失真补偿装置的运行开始时间内，在一个级数状态中执行系数更新算法单元404中的幂级数计算系数组的常规更新处理，直到该级数收敛为止(步骤S501)。

在功率阈值确定失真补偿单元405-1中将按照这种方式计算出的幂级数计算系数组设定为初始值(步骤S502)。

在该状态下，首先将初始功率阈值初始地设定为两个级数的状态(步骤S503)。然后，功率阈值更新单元405-5执行以下步骤S504到步骤S507的一系列处理，同时在预定范围内对功率阈值进行更新(步骤S508)，直到判断出已经对每个功率阈值进行了处理为止(步骤S509)。

也就是说，首先，功率阈值更新单元405-5在功率阈值确定失真补偿单元405-1的选择器102(参考图1)中设定当前功率阈值，并且执行预失真处理(参考图2)。然后，功率阈值确定系数更新算法单元405-3更新功率阈值确定失真补偿单元405-1中的幂级数计算系数组(步骤S504)。

在上述幂级数计算系数组充分收敛的时刻，误差信号平均单元405-4计算从减法器405-2输出的误差信号的平均值(步骤S505)。

随后，功率阈值更新单元405-5判断如上所述地当前获得的误差信号的平均值是否小于此时内部保持的误差信号最小值(步骤S506)。

在当前误差信号的平均值小于误差信号最小值时，功率阈值更新单元405-5以当前误差信号的平均值来替换该误差信号最小值，并且重新内部存储当前的功率阈值(步骤S507)。应当注意，误差信号最小值的初始值应当是足够大的值，并且选择初始误差信号的平均值作为最小值，并且存储此时的功率阈值。

在针对每个功率阈值的上述步骤S504到步骤S507处理都结束时，功率阈值更新单元405-5确定与内部存储的误差信号最小值相对应的功率阈值，为重新采用的功率阈值(步骤S510)。

如上所述，通过在改变功率阈值的的同时比较误差信号平均值确定了最优的功率阈值。

通过在失真补偿单元401的选择器102(参考图1)中设定按照这种方式确定的最优功率阈值，功率阈值更新单元405-5可以用最优的功率阈值而在实际的预失真处理(参考图2)中工作。此外，通过在失真补偿单元401和系数更新失真补偿单元402中同时还设定按照最优功率阈值而收敛的幂级数计算系数组，功率阈值更新单元405-5可以缩短每个失真补偿单元中的系数收敛时间。

接下来，图6是例示了功率阈值确定单元405为了增加级数的数量(也就是图2中的功率阈值的数量N)而执行的控制操作的操作流程图。

功率阈值确定单元405首先在从1开始(步骤S601)依次地增大功率阈值的数量N的值(步骤S605)的同时执行以下级数处理。

首先，针对当前所设定的功率阈值的数量N，功率阈值确定单元405执行图5的操作流程以确定N个最优功率阈值。

然后，功率阈值确定单元405比较在先前时刻确定最优功率阈值(参考图5中的步骤S510)时获得的误差信号的最小值与在当前时刻确定最优功率阈值(参考步骤S603)时获得的误差信号最小值。

结果，功率阈值确定单元405判断误差减小量是否小于预定常数ε(步骤S604)。

当误差减小量不小于预定常数ε时，功率阈值确定单元405向功率阈值的数量N加1(步骤S605)，并且再次执行步骤S602的处理。

在误差减小量变得小于预定常数ε的时刻，功率阈值确定单元405认为先前的N-1个功率阈值足够多，并且确定功率阈值的数量(步骤S606)。因此，通过使用功率阈值的适当数量N确定了最优功率阈值。

图7是例示了用于检测图4中的功率阈值确定单元405的操作定时的结构示例的图。

在图7中，定时检测单元1701对从减法器403输出的误差信号的功率值求平均值，并且在平均值超过阈值的时刻在功率阈值确定单元405中启动功率阈值确定处理(图5)。

图8是例示了用于检测图4中的功率阈值确定单元405的操作定时的另一个结构示例的图。

在图8中，定时检测单元2801首先对A/D转换器113的反馈信号输出进行快速傅里叶变换(FFT)以获得频谱。

然后，定时检测单元2801根据计算出的频谱计算ACLR(相邻信道泄漏比，Adjacent Channel Leakage Ratio)，并且在该值超过预定阈值的时刻在功率阈值确定单元405中启动功率阈值确定处理(图5)。

ACLR是图9所例示的物理量，并且其被定义为频谱中相邻信道频带功率I与信号频带功率S之间的比(dB)，并且为用于表示泄露到相邻信道的功率的指标。

按照这种方式，在该实施方式的失真补偿装置中，通过在误差信号的功率阈值的平均值超过阈值的时刻或者在ACLR超过阈值的时刻启动功率阈值确定处理，可以有效地执行处理以确定最优功率阈值及其数量，并且高精度地抑制非线性失真特性。

在幂级数模型的基础上例示了上述实施方式。然而，所公开的技术可以应用于各种级数模型。

此处叙述的全部示例和条件性语言旨在出于教育目的而帮助读者理解本发明以及发明人对现有技术做出贡献的原理，并且应当被解释为不限于如此具体叙述的示例和条件，并且说明书中对这种示例的组织也与展示本发明的优点和缺点无关。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但应当理解的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可对其做出各种变化、替换和修改。

Claims

1.一种预失真设备，该预失真设备用于通过对分别限定了多个功率范围的预失真特征的多个幂级数的多个系数进行计算处理，以对放大器的输入应用与所述放大器的输入到输出特征中的非线性特性相对应的相反特性，来补偿由所述放大器中的所述非线性特性引起的失真，该预失真设备包括：

系数更新单元，其用于根据所述放大器的输入和输出之间的比较对所述幂级数的系数进行设定和更新，以提供所述多个功率范围的预失真特征；和

确定单元，其用于通过对限定所述多个功率范围的阈值进行偏移，并通过操作所述系数更新单元以更新与按照经过偏移的阈值而限定的各个功率范围相对应的各个幂级数的系数，以使各个功率范围的预失真特征最优，来确定至少一个阈值。

2.根据权利要求1所述的预失真设备，其中，所述确定单元在改变所述阈值的数量的同时，通过比较按照所述阈值的数量的每一种情况而获得的确定阈值的差异的变化程度，确定所述阈值的数量。

3.根据权利要求1所述的预失真设备，其中，所述确定单元将对与所确定的阈值相对应的幂级数的系数设定为初始值，以对限定了所述多个功率范围的所述预失真特征的所述多个幂级数的所述多个系数进行计算处理。

4.根据权利要求1所述的预失真设备，该预失真设备进一步包括：

定时检测单元，其用于计算所述放大器的输入和输出之间差异的功率值的平均值，并且当所述功率值的所述平均值超过预定值时启动所述确定单元中的阈值确定处理。

5.根据权利要求1所述的预失真设备，该预失真设备进一步包括：

定时检测单元，其用于针对从所述放大器输出的发送信号来计算相邻信道频带功率与信号频带功率之间的比值，并且当所述比值超过预定值时启动所述确定单元中的阈值确定处理。

6.一种预失真方法，其用于通过对分别限定了多个功率范围的预失真特征的多个幂级数的多个系数进行计算处理，以对放大器的输入应用与所述放大器的输入到输出特征中的非线性特性相对应的相反特性，来补偿所述放大器中的所述非线性特性引起的失真，所述预失真方法包括：

根据所述放大器的输入和输出之间的比较对所述幂级数的系数进行设定和更新，以提供所述多个功率范围的预失真特征；和

通过对限定了所述多个功率范围的阈值进行偏移，并更新与按照经过偏移的阈值而限定的各个功率范围相对应的各个幂级数的系数，以使各个功率范围的预失真特征最优，来确定至少一个阈值。